Архитектура и принципы построения операционных систем

Структура монолитной системы:

Главная программа, которая вызывает требуемые сервисные процедуры.

Набор сервисных процедур, реализующих системные вызовы.

Набор утилит, обслуживающих сервисные процедуры.

Многоуровневая иерархическая

Преимущества:

Высокая производительность

Недостатки:

Большой код ядра, и как следствие большое содержание ошибок

Ядро плохо защищено от вспомогательных процессов

Если предыдущие модели брали на себя максимум функций, принцип экзоядра, все отдать пользовательским программам. Например, зачем нужна файловая система? Почему не позволить пользователю просто читать и писать участки диска защищенным образом? Т.е. каждая пользовательская программа сможет иметь свою файловую систему. Такая операционная система должна обеспечить безопасное распределение ресурсов среди соревнующихся за них пользователей.

Микроядерная архитектура (модель клиент-сервер)

Эта модель является средним между двумя предыдущими моделями. В развитии современных операционных систем наблюдается тенденция в сторону дальнейшего переноса задач из ядра в уровень пользовательских процессов, оставляя минимальное микроядро.

В этой модели вводятся два понятия:

Серверный процесс (который обрабатывает запросы)

Клиентский процесс (который посылает запросы)

В задачу ядра входит только управление связью между клиентами и серверами.

Преимущества:

Малый код ядра и отдельных подсистем, и как следствие меньшее содержание ошибок.

Ядро лучше защищено от вспомогательных процессов.

Легко адаптируется к использованию в распределенной системе.

Недостатки:

Уменьшение производительности.

ОС предоставляет интерфейс системных вызовов для прикладных программ. Этот интерфейс позволяет оперировать абстракциями «файл», «процесс», «сокет», не привязываясь к деталям их реализации. 1 низкоуровневая аппаратура 2 обработка прерываний управление памятью 3 управление потоками 4 драйвера 5 виртуальная память 6 файловая система 7 Обработчик системных вызовов

6. Физическая структура жёсткого диска

Физический формат определяет размер сектора в байтах, количество секторов на дорожке, количество дорожек на поверхности, количество поверхностей. Расположение, число, размер секторов задается программно при первоначальной разметке каждой дорожки.

Информация на диске хранится в виде концентрически расположенных намагниченных участков. Секторы - дугообразные участки области хранения данных на диске, являющиеся наименьшими единицами измерения физического пространства на диске. Один сектор устройства хранения данных занимает дугообразный участок одной дисковой дорожки. Операционная система определяет размер каждого сектора, который составляет 512 байт на магнитных дисках. Дорожки расположены концентрическими окружностями на поверхности магнитных дисков. CD-ROM имеет единственную дорожку, спирально закручивающуюся от края диска к центру. Стороны диска (верхняя и нижняя).Жесткий диск может иметь более двух сторон, если он состоит из нескольких дисковых пластин. Цилиндр – дорожки, имеющие вертикально совпадающие поверхности.

Физическое разбиение диска на разделы выполнятся средствами BIOS. BIOS использует для адресации информации на диске трехмерные координаты, состоящие из № дорожки, № стороны (или головки)и № сектора. Причем адресация осуществляется по правилу: переход на следующую дорожку происходит не раньше, чем будут пронумерованы все сектора текущего цилиндра. Нумерация секторов начинается с 1, сторон и дорожек – с 0.

Полная емкость диска определяется по формуле: сектор * дорожку * сторону * 512.

7. Логическая структура жёсткого диска

Логический формат определяет то, как организована информация на диске, где находятся различные типы данных.

Логическая разметка разделов выполняется средствами имеющейся ОС. DOS не распознает цилиндры, головки, сектора. Она рассматривает весь диск как некую последовательность логических секторов. Нумерация секторов начинается с 0, является сквозной от дорожки к дорожке одного цилиндра. Взаимосвязь физической и логической структур

Фактически запросы ПП на операции с файлами проходят два уровня преобразования перед тем, как воплотиться в физическую передачу данных между дисковым устройством и оперативной памятью.

1. Логический уровень. Отображение координат файла системой DOS (нумерация секторов начинается с 0). DOS преобразует запросы ПП на управление файлами в запросы на пересылку логических секторов, используя при этом информацию из каталогов тома и FAT.

2. Физический уровень. После этого DOS передает запросы на логические сектора драйверу диска, который отображает их на действительные физические адреса (головка, дорожка и сектор)

При форматировании дисков и дискет наносится как логическая, так и физическая структура.

Логические области диска

Процесс форматирования разделяет общее пространство секторов на 4 части:

1. Загрузочная запись (сектор загрузчика);

2. FAT (file allocation table);

3. Корневой каталог

4. Область файлов (пространство для данных).

8. Файловые системы FAT.

FAT (англ. File Allocation Table — «таблица размещения файлов») — классическая архитектура файловой системы, которая из-за своей простоты всё ещё широко используется для флеш-накопителей. Используется в дискетах, и некоторых других носителях информации. Ранее использовалась и на жестких дисках.

Разработана Биллом Гейтсом и Марком МакДональдом (англ.) в 1976—1977 годах.[1][2] Использовалась в качестве основной файловой системы в операционных системах семейств DOS и Windows (кроме семейства Windows NT).

FAT располагается сразу после сектора загрузчика с сектора №2 (дорожка 0, сторона 0).FAT содержит код формата и полную карту принадлежащих файлам секторов. Существует четыре версии FAT — FAT8, FAT12, FAT16 и FAT32. Они отличаются разрядностью записей в дисковой структуре, то есть количеством бит, отведённых для хранения номера кластера. FAT12 применяется в основном для дискет, FAT16 — для дисков малого объёма. На основе FAT была разработана новая файловая система exFAT (extended FAT), используемая преимущественно для флеш-накопителей.

В файловой системе FAT смежные секторы диска объединяются в единицы, называемые кластерами. Количество секторов в кластере равно степени двойки. Пространство тома FAT32 логически разделено на три смежные области:

· Зарезервированная область. Содержит служебные структуры, которые принадлежат загрузочной записи раздела (Partition Boot Record — PBR, для отличия от Master Boot Record — главной загрузочной записи диска; также PBR часто некорректно называется загрузочным сектором) и используются при инициализации тома;

· Область таблицы FAT, содержащая массив индексных указателей («ячеек»), соответствующих кластерам области данных. Обычно на диске представлено две копии таблицы FAT в целях надежности;

· Область данных, где записано собственно содержимое файлов — то есть текст текстовых файлов, кодированное изображение для файлов рисунков, оцифрованный звук для аудиофайлов и т. д. — а также т. н. метаданные — информация относительно имен файлов и папок, их атрибутов, времени создания и изменения, размеров и размещения на диске.